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Beschreibung
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Speisung einer Niederspannungs-Glühlampe,
insbesondere einer Niedervolt-Halogenlampe aus einem Gleich- oder Wechsel-Speisespannungsnetz
mit einem die Speisespannung auf die Versorgungsspannung der Niederspannungs-Glühlampe
herabsetzenden Transformator.
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Halogen-Glühlampen zeichnen sich gegenüber konventionellen Glühlampen
durch eine hohe Lichtausbeute von bis zu 33 lm/W und/oder eine hohe Lebensdauer
von bis zu 2000 Stunden, einen konstanten Lichtstrom während der ganzen Lebensdauer
und sehr kleine Abmessungen aus, die bis auf 1 % des Volumens konventioneller Glühlampen
gleicher Leistung miniaturisiert werden können. Die Hauptanwendungsgebiete liegen
bei der allgemeinen Beleuchtung, Flutlicht, Foto-, Kino-, Bildwerfertechnik sowie
bei Kraftwagenscheinwerfern. Ein verbreiteter EinSatz bei der allgemeinen Beleuchtungstechnik
scheitert bislang daran, daß zur Spannungsversorgung der Halogen-Glühlampen eine
Niederspannung von ca. 12 V benötigt wird, die durch Transformation der üblichen
Netz-Wechselspannung von 220 V erzeugt werden muß. Dazu sind zusätzliche Transformatoren
und Entstörfilter erforderlich, die eine entsprechende Auslegung der Lampe erforderlich
machen. Ein einfacher Ersatz der üblichen Glühlampen ist wegen dieser zusätzlichen
Einrichtungen nicht möglich.
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Es sind Halogen-Glühlampen bekannt, die über einen Ringkerntransformator
aus der Netzwechselspannung gespeist werden und in ihrem Volumen den Abmessungen
üblicher
Glühlampen entsprechen. Sie können somit anstelle der üblichen
Glühlampen eingesetzt werden, weisen jedoch zwei erhebliche Nachteile auf, die einen
allgemeinen Einsatz bisher verhindert haben. Zum einen ist aufgrund des erforderlichen
Ringkerntransformators und der vorgegebenen, den Abmessungen einer Glühlampe entsprechenden
Baugröße nur eine geringe Leistungsaufnahme von bis zu 15 W möglich, so daß kein
tatsächlicher Ersatz für eine Glühlampe gegeben ist. Zum anderen liegt der Wirkungsgrad
eines Ringtransformators im Bereich von 75 bis 80 %, so daß auch bei größerem Volumen
eine nur geringe Lichtausbeute möglich ist und damit die Vorteile der Halogen-Glühlampe
gegenüber der konventionellen Glühlampe verringert bzw. beseitigt werden.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Speisung
einer Niederspannungs-Glühlampe, vorzugsweise einer Halogen-Glühlampe zu schaffen,
die den Einsatz einer Niederspannungs-Glühlampe anstelle einer konventionellen Glühlampe
auch bei größerer Leistungsaufnahme von 50 W und mehr bei Gewährleistung eines hohen
Wirkungsgrades, d. h. geringer Leistungsaufnahme, bei großer Lichtabstrahlung ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein die Speisespannung
in eine hochfrequente Wechselspannung umformender Wandler mit der Primärwicklung
des Transformators verbunden ist, an dessen Sekundärwicklung die Niederspannungs-Glühlampe
angeschlossen ist.
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Die erfindungsgemäße Lösung gestattet den Ersatz einer konventionellen
Glühlampe durch eine volumengleiche Niederspannungs-Glühlampe auch bei größeren
Leistungen unter Einhaltung eines hohen Wirkungsgrades. Der Wirkungsgrad
der
Vorrichtung liegt bei 95 %, so daß eine hohe Volumenleistung gewährleistet ist und
eine 50 W Halogen-Glühlampe eine 150 W Glühlampe ersetzen kann. Dadurch ist eine
erhebliche Energieeinsparung bei gleicher Lichtausbeute gewährleistet und die Grundlage
dafür geschaffen, konventionelle Glühlampen in größerem Umfange durch baugleiche
Halogen-Glühlampen zu ersetzen.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Lösung sind den
Merkmalen der Patentansprüche 2 bis 10 zu entnehmen.
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Anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles
soll der der Erfindung zugrundeliegende Gedanke näher erläutert werden. Es zeigen:
Fig. 1 eine Schaltungsanordnung zur Speisung einer Niederspannungsglühlampe und
Fig. 2 einen Schnitt durch eine Vorrichtung mit einer Wandlerschaltung und einer
Niederspannungs-Glühlampe, die in einem einer konventionellen Glühlampe entsprechenden
Gehäuse untergebracht sind.
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Die in Figur 1 dargestellte Schaltungsanordnung zur Speisung einer
Niederspannungs-Glühlampe enthält ein aus Längsdrosseln 41, 42, 43 sowie Querkondensatoren
44, 45 bestehendes Entstörfilter 4, das an ein speisendes Wechselspannungsnetz UN
angeschlossen und mit den Wechselspannungsklemmen einer Gleichrichter-Brückenschaltung
3 verbunden ist. Die Gleichspannungsanschlüsse 31, 32 der Gleichrichter-Brückenschaltung
3 sind mit den Anschlüssen zweier in Reihe geschalteter Siebkondensatoren 7, 8 verbunden,
deren Verbindung an die Primärwicklung 21 eines Transformators 2 angeschlossen ist.
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An die Sekundärwicklung 22 des Transformators 2 ist eine Niederspannungs-Glühlampe
1 angeschlossen, wobei ein Anschluß der Niederspannungs-Glühlampe über einen Kondensator
6 zur Störstrahlunterdruckung der Ausgangsspannung mit dem einen Gleichspannungsanschluß
32 der Gleichrichter-Brückenschaltung 3 verbunden ist.
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An die Gleichspannungsanschlüsse 31, 32 der Gleichrichter-Brückenschaltung
3 einerseits sowie an die Primärwicklung 21 des Transformators 2 andererseits ist
ein Halbbrücken-Gegentaktwandler 5 angeschlossen, der die an den Gleichspannungsklemmen
31, 32 anliegende Gleichspannung in eine Wechselspannung mit einer Frequenz von
ca. 55 kHz zerhackt.
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Der Wandler oder Zerhacker 5 weist zwei Transistoren 51, 52 auf, deren
Laststrecken in Reihe zu den Primärwicklungen eines übertragers 53 parallel zu den
Gleichspannungsklemmen 31, 32 der Gleichrichter-Brückenschaltung 3 geschaltet sind.
Der Übertrager 53 weist zwei Wicklungspaare 531, 532 auf, die mit dem in Fig. 1
eingetragenen Wickelsinn auf einen Eisenkern gewickelt sind, was durch die gestrichelte,
beide Wicklungspaare verbindende Linie angedeutet ist. Dabei ist die eine Primärwicklung
des übertragers 53 einerseits an den Emitter des ersten Transistors 51 und andererseits
an die Primärwicklung 21 des Transformators 2 bzw. den Kollektor des zweiten Transistors
52 und die andere Primärwicklung des Übertragers 53 einerseits an den Emitter des
zweiten Transistors 52 und andererseits an den negativen Gleichspannungsanschluß
32 der Gleichrichter-Brückenschaltung 3 angeschlossen. Die Sekundärwicklung der
Wicklungspaare des Ubertragers 53 sind einerseits an die Basen der Transistoren
51, 52 und
andererseits über die Parallelschaltung jeweils eines
Kondensators 57, 58 mit zwei in Reihe geschalteten Dioden 59, 60, deren Kathoden
mit der Sekundärwicklung der Übertrager 53, 54 verbunden sind, an die jeweilige
Primärwicklung des Übertragers 53 angeschlossen.
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Parallel zur Reihenschaltung der Kollektor-Basis-Strecke der Transistoren
51, 52 mit den Sekundärwicklungen des übertragers 53 ist je ein Widerstand 55, 56
geschaltet.
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Nachstehend soll die Funktionsweise der in Figur 1 dargestellten Schaltungsanordnung
näher erläutert werden.
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Die an den Eingangsklemmen anliegende Netzwechselspannung gelangt
über das Funkentstörfilter 4 an die Wechselspannungsklemmen der Gleichrichter-Brückenschaltung
3, an dessen Gleichspannungsklemmen 31, 32 bei Anlegen einer 220 V Netzwechselspannung
eine Gleichspannung von ca. 300 V anliegt, deren Welligkeit durch die parallel zu
den Gleichspannungsanschlüssen 31, 32 der Gleichrichter-Brückenschaltung geschalteten
Siebkondensatoren 7, 8 geglättet wird. Diese Gleichspannung wird mit Hilfe des Wandlers
bzw. Zerhackers 5 in eine hochfrequente Wechselspannung umgeformt und über den Transformator
2 auf die erforderliche Versorgungsspannung von ca. 12 V für die Niederspannungs-Glühlampe
heruntertransformiert, um die Halogen-Glühlampe 1 zu speisen.
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Da der Treibertransformator bzw. übertrager 53 für die beiden Transistoren
51, 52 als Stromtransformator mit jeweils entgegengesetzter Polarität geschaltet
ist, wird eine positive Spannung an die Basen der beiden Transistoren 51, 52 gelegt,
so daß bei anliegender
Gleichspannung ein Strom über die Kollektor-Emitter-Strecke
eines der beiden Transistoren 51, 52 in Abhängigkeit von stets vorhandenen Bauteiltoleranzen
fließt.
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Nimmt man an, daß zunächst der erste Transistor 51 in den leitfähigen
Zustand gesteuert wird, so wird der Stromfluß über die Kollektor-Emitter-Strecke
des Transistors 51 durch die Mitkopplung über die Sekundärwicklung des Übertragers
53 verstärkt. Der zweite Transistor 52 wird infolge der entgegengesetzten Polarität
bzw. infolge des entgegengesetzten Wickelsinnes des anderen Wicklungspaares des
übertragers 53 gesperrt.
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Der Strom über die Laststrecke des ersten Transistors 51 steigt solange
an, bis der Übertrager 53 in die Sättigung gelangt. Zu diesem Zeitpunkt bricht das
Magnetfeld des übertragers 53 zusammen, so daß sich die Spannung an der betreffenden
Sekundärwicklung des übertragers 53 umkehrt und den ersten Transistor 51 sperrt,
während der zweite Transistor 52 aufgrund der umgekehrten Polarität des zweiten
Wicklungspaares in oben beschriebener Weise in den leitfähigen Zustand gesteuert
wird, wobei ebenfalls der Mitkopplungseffekt über das andere Wicklungspaar des übertragers
53 zu einer schnellen Aufsteuerung des zweiten Transistors 52 führt. Dadurch wird
der erste Transistor 51 vollständig gesperrt, während der zweite Transistor 52 in
den leitfähigen Zustand übergeht. Der beschriebene Vorgang wiederholt sich mit einer
Frequenz von ca. 55 kHz. Dabei nimmt der an die Verbindung der beiden Transistoren
51, 52 angeschlossene Wicklungsanschluß der Primärwicklung 21 des Transformators
2 abwechselnd eine Spannung von 0 und +300 V an. Da das Tastverhältnis der beiden
Transistoren gleich ist, liegt an den beiden Siebkondensatoren 7, 8 die jeweils
halbe Betriebsspannung an.
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Zur Verringerung der Verlustleistung der Transistoren 51, 52 ist im
Basis-Emitter-Kreis der Transistoren 51, 52 eine Schaltung vorgesehen, die den Sperrvorgang
des jeweiligen Transistors 51 bzw. 52 beschleunigt. Die zu diesem Zweck vorgesehenen
Kondensatoren 57, 58 werden durch den jeweiligen Ansteuerimpuls zur Basis des zugeordneten
Transistors 51 bzw. 52 mit einer Spannung von ca. 1,4 V, die durch die in Reihe
geschalteten Dioden 59 bzw. 60 vorgegeben ist, negativ, d. h. mit der an den Kondensatoren
57, 58 eingetragenen Polarität aufgeladen und stellen für den Sperrvorgang eine
negative Unterstützungsspannung für die Transistoren 51, 52 zur Verfügung, damit
der Sperrzustand sicher erreicht und gehalten wird. Nach der Beendigung der Leitphase
des jeweiligen Transistors 51, 52 kehrt sich in dem oben beschriebenen Sinne die
Spannung an der betreffenden Sekundärwicklung des übertragers 53 um und wird durch
die entsprechende Spannung an den Kondensatoren 57, 58 erhöht, so daß eine entsprechend
hohe negative Spannung an der Basis des jeweiligen Transistors 51, 52 anliegt und
ein entsprechend schlagartiges Sperren des betreffenden Transistors 51, 52 gewährleistet
ist. Der im vorliegenden Ausführungsbeispiel gewählte Übertrager 53 mit zwei, entgegengesetzten
Wickelsinn aufweisenden Wicklungspaaren 531, 532 kann auch durch getrennte Übertrager
ersetzt werden, wenn durch geeignete schaltungstechnische Maßnahmen sichergestellt
wird, daß der eine Transistor sofort sperrt, wenn der andere Transistor in den leitfähigen
Zustand übergeht und umgekehrt.
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Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht es, bei einer Eingangsspannung
von 220 V und 50 Hz Wechselstrom eine Ausgangsspannung von 12 V effektiv und eine
Frequenz von 55 kHz sowie eine Eingangsleistung von ca. 53 W bei
einer
Ausgangsleistung von 50 W zu erzielen. Der Wirkungsgrad der Schaltungsanordnung
liegt somit bei ca.
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95 %, was eine deutliche Steigerung des Wirkungsgrades bei der Speisung
von Niederspannungs-Glühlampen gegenüber konventionellen Schaltungen bedeutet.
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In Figur 2 ist der konstruktive Aufbau einer nach dem Gegenstand der
vorliegenden Erfindung geschaffenen Halogen-Glühlampe dargestellt. Das Gehäuse 10
der Vorrichtung ist an seinem einen Ende mit einem Schraubgewinde für Glühlampen
E27 versehen, wobei das Schraubgewinde auch jede beliebige andere Norm aufweisen
kann.
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Das vorzugsweise aus Kunststoff hergestellte Gehäuse 10 weist im Innern
die vorzugsweise in Kunststoff eingegossene Schaltung 12 gemäß Figur 1 sowie eine
Leiterplatte 13 und eine Fassung 14 für die Niedervolt-Halogen-Glühlampe 1 auf,
die im vorliegenden Ausführungsbeispiel beispielsweise auf eine Leistung von 50
W ausgelegt ist.
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Die gesamte Vorrichtung ist etwa 135 mm lang und weist einen Durchmesser
von 65 mm auf, so daß sie in den äußeren Abmessungen den Abmessungen einer 150 W
Glühlampe konventioneller Bauart entspricht. Bei gleicher Lichtausbeute ist jedoch
eine wesentlich geringere Leistungsaufnahme, nämlich ein Drittel der Leistungsaufnahme
einer konventionellen Glühlampe gewährleistet, so daß mit dem Gegenstand der Erfindung
eine erhebliche Energieeinsparung verbunden ist, wobei zusätzlich noch eine erheblich
höhere Lebensdauer der Halogen-Lampe erzielt werden kann.